电路笔记CN-0382

Circuits from the Lab® reference designs are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0382.

连接/参考器件

AD7124-4 集成PGA和基准电压源的低功耗24位Σ-Δ型ADC

AD5421 16位、环路供电、4 mA至20 mA DAC

AD5700 低功耗HART调制解调器

SPI隔离器ADuM1441

ADP162 超低静态电流、150 mA CMOS线性稳压器

ADG5433 高压防闩锁型三通道SPDT开关

Rev. 0 Circuits from the Lab® reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and veried in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page)

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采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的隔离式4 mA至20 mA/HART工业温度和压力变送器

评估和设计支持 电路评估板

DEMO-AD7124-DZ评估板

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单、代码示例

电路功能与优势

图1所示电路是一种隔离式智能工业现场仪表，可与许多

类型的模拟传感器，如温度传感器(Pt100、Pt1000、热电

偶)或桥式压力传感器等接口。该仪表通过4 mA至20 mA模

拟输出和可寻址远程传感器高速通道(HART®)接口进行通

信。HART是一种数字双向通信，可在标准4 mA至20 mA模

拟电流信号之上调制一个1 mA峰峰值频移键控(FSK)信号。

HART接口可实现众多功能，例如远程校准、故障查询和

过程变量传输；这些功能在诸如温度和压力控制等应用中

是必须的。

该电路采用超低功耗、精密、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC) AD7124-4，其包括温度和压力系统所需的全部特性。该电

路还包括16位4 mA至20 mA环路供电数模转换器(DAC) AD5421，业界功耗最低且尺寸最小的HART兼容型IC调制

解调器AD5700，提供超低功耗串行外设接口(SPI)隔离的

ADuM1441，CMOS开关ADG5433，以及位于隔离功率电

路中的低功耗3.3 V稳压器ADP162。

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图1. 具有HART接口的4 mA至20 mA环路供电现场仪表(原理示意图： 未显示所有连接和去耦)

0.1µF

0.01µF

NTC10kΩ

VDD1 VDD2

GND1

VIA

VIB

VIC

VOD

EN1

GND1

GND2

VOA

VOB

VOC

VID

EN2

GND2

DGND

DNGDDNGI

AD7124-4

0.01µF

0.1µF

0.01µF

0.01µF

0.01µF

0.01µF

0.01µF

0.1µF

0.01µF

1kΩAIN2

AIN3

5.6kΩ

AIN6

REFIN1(+)

REFIN1(–)1kΩ

5.6kΩ

1kΩ 100Ω

1kΩ

1kΩAIN4

AIN5

470Ω

L*

L*

LOOP+

LOOP–DC-DC_ENABLE

100kHz

OUT IN

NC ENGND

ADP162AAVDD_ISOL

1000Z 10Ω

1µF

ADuM1441

MICROCONTROLLER

UART_TX

UART_RX

PROGRAMMING/DEBUG INTERFACE

HA

RT

_IN

HA

RT

_OU

T

150pF

300pF

1µF

150kΩ

1.2MΩ

DGND1µF470Ω

HART_VDD

VCC

HART_OUT

ADC_IP

REF

DVDD_3.3V

VLOOP

LOOP–

REGIN

REGOUT

DVDD_3.3V

0.068µF0.22µF

20MΩ

1MΩ

10µF 10µF

10Ω

4700pF

AD5421

AD5700

0.1µF

0.01µF

VRES

1kΩ

0.01µF

1kΩ

68kΩ

AIN0

AIN1

REFOUT

68kΩ

1MΩ

THERMISTORTEMPERATURE

SENSOR

PRIMARYSENSOR

SIMULATION

IGND

DGNDAVSS

AVDD IOVDD

DVDD_ISOL

AVDD_ISOL DVDD_ISOL

DVDD_3.3VDVDD_ISOL

DGND

DVDD_3.3V

IGND

IGND

DGND

IGND

470Ω

AVDD_ISOL

1kΩ

470Ω

AIN7

PSW

J5-3

J5-1

J5-2

J5-4

J5-5

J5-6

J5-7

J5-8

CIN

XTAL1

XTAL2

ADG5433

D1

D2

S1B

S1A

S2B

S2A

DGND

DGND DGND

DGND

DVDD_3.3V

GND

EN

EP

VSS

IN1IN2IN3

VDD_9V

DGND

1µF

1.5Ω

10µF

IGND

1.2MΩ

CS

SCLK

DIN

DOUT/RDY

SPI SPI

UART

SC

LK

SY

NC

SD

O

SD

IN

FA

UL

T

UARTC

DT

XD

RT

S

RX

D

*0.3Ω AT DC 1kΩ AT 100MHz

1µF

IGND

10Ω

DVDD

VDD

1335

5-00

1

电路描述

模拟前端接口

AD7124-4是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、

完整模拟前端。该器件内置一个低噪声24位Σ-Δ型模数转换

器(ADC)，可配置来提供4个差分输入或7个单端或伪差分

输入。片内低噪声增益级确保ADC中可直接输入小信号。

AD7124-4的主要优势之一是用户可灵活使用三种集成功率

模式。功耗、输出数据速率范围和均方根噪声可通过所选

功率模式进行定制。该器件还提供多个滤波器选项，确保

为用户带来最大的灵活性。

当输出数据速率为25 SPS(单周期建立)时，AD7124-4可实现

50 Hz和60 Hz同时抑制。

AD7124-4提供最高的信号链集成度。该器件内置一个精密

低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，也可采用内部缓冲

的外部差分基准电压。其它主要集成特性包括可编程低漂

移激励电流源、开路测试(burnout)电流和偏置电压产生

器，利用偏置电压产生器可将某一通道的共模电压设置为

AVDD/2。低端功率开关允许用户在两次转换之间关断桥式

传感器，从而保证系统具有绝对最小功耗。该器件还允许

用户采用内部时钟或外部时钟工作。

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图2. 4线RTD

0.1µF

10nF

10nF

10nF

0.1µF

10nFIOUT1

REF(+)

REF(–)1kΩ

1kΩ 100Ω

1kΩ

1kΩAIN(+)

AIN(–)

470Ω

1kΩ

J5-3

J5-4

RTDJ5-5

J5-8

10nF

RREF

1335

5-00

2

内置通道序列器可以同时使能多个通道，AD7124-4按顺序

在各使能通道上执行转换，简化了与器件的通信。多达16个通道可随时使能，这些通道具有模拟输入或诊断功能(比如电源检查或基准电压源检查)。这一独特的特性允许诊断

和转换交替进行。该器件支持8种配置或设置。AD7124-4还支持各通道独立配置。每种配置包括增益、滤波器类

型、输出数据速率、缓冲和基准电压源。用户可在各通道

上分配任何设置。

AD7124-4还集成了丰富的诊断功能，作为全面特性组合的

一部分。这些诊断功能包括循环冗余校验(CRC)、信号链

检查和串行接口检查，从而提供更强大的解决方案。这些

诊断功能可减少执行诊断功能所需的外部元件，从而减少

对电路板空间的需求，缩短设计时间并节省成本。根据

IEC 61508，典型应用的失效模式影响和诊断分析(FMEDA)表明安全失效比例(SFF)大于90%。

传感器输入

该电路通过8引脚连接器支持3线/4线RTD、热电偶和压力

传感器。AD7124-4具有与这些传感器接口所需的全部构建

模块。对于连接的所有类型传感器，ADC以中功耗模式工

作。使用后置滤波器的原因是当以25 SPS速率转换时，它

能实现50 Hz和60 Hz同时抑制。将一个传感器连接到该电路

时，ADC按照所连传感器类型进行适当的配置。还可以执

行内部满量程和失调校准，以使失调误差和满量程误差最

小；校准由UART或HART命令启动。

AD7124-4具有多种片内诊断功能，可确保设计稳定可靠。

在该电路中，开路故障检测确保传感器已连接；通过监视

状态寄存器中的上电复位(POR)状态，可在发生上电复位

时告知用户。每次转换都要读取错误寄存器，其内容随同

传感器结果通过HART发送。

RTD阻性温度检测器(RTD)的测量范围是−200°C至+600°C。典

型RTD为由铂制成的Pt100和Pt1000。本电路使用Pt100。

4线RTD图2显示了一个4线Pt100 RTD如何连接到本电路。

AD7124-4的一个片内激励电流激励Pt100。Pt100的最大电

阻值为313.71 Ω(600°C时)。若激励电流设置为250 µA，则

Pt100上产生的最大电压为

250 µA × 313.71 Ω = 78.43 mV

可编程增益阵列(PGA)设置为16倍增益，故调制器输入端

看到的最大电压为

78.43 mV × 16 = 1.25 V

5.6 kΩ精密电阻(0.05%、10 ppm/°C)产生基准电压。所选基

准电阻RREF的值应使得其上产生的电压最小值为1.25 V，也

就是说，模拟输入引起的调制器输入端电压小于或等于基

准电压。为Pt100供电的250 µA电流同样流过5.6 kΩ电阻，

得到一个比率式配置。因此，激励电流的任何变化对电路

性能无影响。精密电阻上产生的电压为

5.6 kΩ × 250 µA = 1.4 V

模拟输入端和基准输入端上有抗混叠滤波器。这些滤波器

防止任何频率为调制器采样频率倍数的干扰混叠到目标频

带中。为确保这些滤波器和外部电阻不引起增益误差，须

使能基准电压缓冲器。模拟输入缓冲器会自动使能，因为

使用PGA就会使能这些缓冲器。基准电压缓冲器需要一些

裕量(电源轨的100 mV以内)。因此，低端上有一个470 Ω电

阻以提供此裕量。

250 µA激励电流需要370 mV的裕量。此引脚看到的电压为

(470 + 5600 + 313.71) Ω × 250 µA = 1.6 V，这是可以接受的。

AIN4和AIN5引脚用作AINP和AINM模拟输入。

CN-0382

连接器引脚上的1 kΩ电阻有两个作用：一是构成抗混叠滤波

器，二是在发生过压时(例如因为接线错误)保护模拟输入。

电路笔记CN-0381更详细地说明了4线Pt100传感器与

AD7124-4的接口以及转换结果的线性化或后处理。

图1所示电路还支持4线Pt1000 RTD。电路连接与Pt100相同。

ADC配置如本部分前面所述，不过PGA增益设置为1。

3线RTD图3显示了一个3线Pt100 RTD如何连接到本电路。

AD7124-4有两个匹配的激励电流。二者均要配合3线RTD使用，以便能够执行引线补偿。Pt100的最大电阻值为

313.71 Ω(600 °C时)，因此激励电流设置为250 µA。基准电阻

RREF连接在上方。故而，一个250 µA激励电流(IOUT0)通过引

脚AIN6输出，经过5.6 kΩ精密基准电阻(0.05%、10ppm/°C)，然后流过Pt100。另一个250 µA电流(IOUT1)通过引脚AIN7输出。此电流因为引脚电阻而产生一个电压，其与AIN6上电流产生的引脚电阻电压相反。因此，引脚电阻引起的误

差被降至最小。

5.6 kΩ基准电阻上产生的电压为

250 µA × 5.6 kΩ = 1.4 V

Pt100上产生的最大电压为

250 µA Ω 313.71 Ω = 78.43 mV

PGA设置为16倍增益，故AD7124-4的调制器看到的电压为

78.43 mV × 16 = 1.25 V

此电压小于基准电压，故在范围内。

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图3. 3线RTD

图4. T型热电偶

0.1µF

10nF

10nF

10nF

0.1µF

10nFIOUT0

REF(+)

REF(–)1kΩ

1kΩ 100Ω

1kΩ

1kΩAIN(+)

AIN(–)

470Ω

1kΩ

J5-3

J5-4

J5-5

J5-8

10nF

IOUT11kΩ

RTD

100Ω

RREF

J5-6

1335

5-00

3

0.1µF

10nF

10nF

VBIAS1kΩ 100Ω

AIN(+)

AIN(–)

J5-3

J5-5

10nF

1335

5-00

41kΩ

J5-4

1kΩ

模拟输入端和基准输入端上有抗混叠滤波器。这些滤波器

防止任何频率为调制器采样频率倍数的干扰混叠到目标频

带中。为确保这些滤波器和外部电阻不引起增益误差，须

使能基准电压缓冲器。模拟输入缓冲器会自动使能，因为

使用PGA就会使能这些缓冲器。基准电压缓冲器需要一些

裕量(电源轨的100 mV以内)。因此，低端上有一个470 Ω电

阻以提供此裕量。

250 µA激励电流需要370 mV的裕量。此引脚看到的电压为

(470 Ω × 2 × 250 µA) + (5600 + 313.71) Ω × 250 µA = 1.713 V，

这是可以接受的。

电路笔记CN-0383更详细地说明了3线Pt100传感器与

AD7124-4的接口以及转换结果的线性化或后处理。

图1所示电路还支持3线Pt1000 RTD。电路连接与Pt100相同。

ADC配置如本部分前面所述，不过PGA增益设置为1。

热电偶

图4显示了一个热电偶如何连接到本电路。

热电偶由两种不同类型的导线连接而成。产生的电压与温

度具有相关性。例如，当温度发生1°C变化时，T型热电偶

产生典型值为40 µV的电压。

必须将热电偶电压偏置到一个电压。AD7124-4内置一个

VBIAS源，其将热电偶偏置到(AVDD − AVSS)/2。该偏置电压在

AIN6通道上使能并作用于热电偶，如图4所示。也可以在

模拟输入的AINM引脚上使能偏置电压。但在这种情况下，

必须限制外部R和C的值，因为AINM上看到的偏置电压与

AINP上看到的滤波版本有很大差别，足以影响转换结果。

热电偶测量是绝对测量，内部2.5 V基准电压源用于转换。

使用T型热电偶。这种热电偶的温度测量范围是−200°C至+400°C，因而其产生的电压范围是−8 mV至+16 mV。PGA设置为128。

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图5. 热敏电阻

242CODEREF

NTC

ADCVV

×=

NTCREF

REFNTCNTC VV

RVR

−

×=

CODECODE

REFCODENTC ADCFS

RADCR

−

×=

0

0

NTC

TRR

T

1ln

1

+β

=

图6. 电压激励压力传感器

图7. 电流激励压力传感器

0.1µF

0.01µF

0.01µF

REFOUT

1kΩ

1kΩAIN(+)

AIN(–)

RREF

IGND

NTC10kΩ

1335

5-00

5

0.1µF

0.1µF

10nF

10nF

10nF

AVDD

REF(+)1kΩ

100Ω

470Ω

1kΩ

1kΩAIN(+)

AIN(–)

470Ω

J5-2

J5-4

J5-5

J5-8

10nF

REF(–)1kΩ

100ΩJ5-6

1335

5-00

6

J5-1

0.1µF

10nF

10nF

REF(+)

REF(–)1kΩ

100Ω

1kΩ

1kΩ

1kΩAIN(+)

AIN(–)

470Ω

J5-3

J5-4

J5-5

J5-8

0.1µF

10nF

10nF

10nF

1kΩIOUT0

1335

5-00

7

RREF

冷结补偿使用NTC热敏电阻(10 kΩ、1%、3435 K)。

内部基准电压源为热敏电阻供电，增益设置为1。热敏电

阻低端使用一个电阻RREF。这是一个5.6 kΩ精密电阻(0.05%、

10 ppm/°C)。热敏电阻上的电压VNTC为

其中：

VREF为基准电压。

ADCCODE为从AD7124-4读取的代码。

224为ADC输出的最大代码。

热敏电阻RNTC的阻值为

其中：

RREF = 5.6 kΩ。

VREF为基准电压。

合并以上两个方程式可得：

其中：

ADCCODE为从AD7124-4读取的代码。

RREF = 5.6 kΩ。

FSCODE为AD7124-4输出的满量程代码(224)。

然后在微控制器中利用基于热敏电阻方程的查找表，将阻

值转换为温度：

其中：

T为热敏电阻记录的温度(K)。R0 = 10 kΩ。

β = 3435 K。T0 = 298.15 K。

用摄氏度°C表示的温度为T − 273.15。

5.6 kΩ电阻还为模拟输入提供裕量，因为使能了模拟输入缓

冲器，其需要100 mV的裕量。发生接线错误时，此电阻还

能限制电流，从而保护电路。

电路笔记 CN-0384更详细地说明了热电偶传感器与

AD7124-4的接口以及转换结果的线性化或后处理。

压力传感器

图6所示为连接一个电压激励的压力传感器，图7所示为连

接一个电流激励的压力传感器。使用Honeywell压力传感器

(Honeywell S&C 24PCDFA6D)。

对于电压激励架构，AVDD (3.3 V)激励传感器。如果利用AVDD

激励称重传感器，激励电压可直接用作ADC基准电压。请

注意，传感器高端和低端上增加了一个电阻，用以确保满

足AD7124-4缓冲器的裕量要求。使用16倍增益。

对于电流激励模式，AD7124-4的两个100 µA激励电流均被

导向引脚AIN6，从而为传感器提供200 µA激励电流。增益

同样设置为16。5.6 kΩ精密电阻产生基准电压。这种安排得

到一个比率式配置，激励电流值的波动不会影响系统精度。

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此电路板提供了相关选项，允许将传感器低端连接到GND或AD7124-4的功率开关。

如上所述，模拟输入端和基准电压源入端具有抗混叠滤波

器，可抑制任何频率为ADC采样频率倍数的干扰。发生过

压时，串联电阻还会限制电流。

主传感器仿真

本电路包括一个电阻网络和电位计，支持传感器仿真(主传

感器仿真电路如图1所示)。利用电位计，AIN0 (AINP)与AIN1 (AINM)之间施加的电压可以在大约−0.09 V到+1.36 V的范围内改变。此电路利用内部基准电压源来支持转换，

AD7124-4增益设置为1，使能模拟输入缓冲器。利用这种

配置，用户可以评估电路而无需外接传感器。

数字数据处理、算法和通信

演示软件(包含在CN-0382设计支持包中)可进行初始化和

配置、处理来自模拟输入的数据、控制模拟输出，并进行

HART通信。提到的所有传感器都需要线性化或补偿。此

线性化在软件中执行。有关RTD和热电偶传感器的更多信

息以及所需的线性化，请参阅电路笔记CN-0381、电路笔

记CN-0383和电路笔记CN-0384。

模拟输出

AD5421集成16位低功耗精密DAC，该DAC带4 mA至20 mA环路供电输出驱动器，可提供现场仪表模拟输出所需的全

部功能。

AD5421通过SPI接口与微控制器对接。

AD5421还集成了一系列与4 mA至20 mA环路相关的诊断功

能。辅助ADC可通过连接至VLOOP引脚上的20 MΩ/1 MΩ电

阻分压器测量仪表环路端的电压。该ADC还可通过集成式

传感器测量芯片温度。微控制器可配置并读取AD5421的全

部诊断数据，但AD5421也可采用自主工作方式。

例如，若控制器和AD5421之间的通信发生故障，AD5421将在一段时间后自动设置其模拟输出为3.2 mA报警电流。

此报警电流将现场仪表工作故障这一情况汇报给主机。

输出电流值的任何改变都受到软件的控制，以防对HART通信产生干扰。

HART通信

AD5700集成完整的HART FSK调制解调器。该调制解调器

通过标准UART接口，伴随请求发送(RTS)和载波检测(CD)信号实现与微控制器的连接。

HART输出通过0.068 μF/0.22 μF容性分压器调整至所需幅度，

并耦合至AD5421 CIN引脚，然后与DAC输出一同驱动和调制

输出电流。

HART输入通过一个简单的无源RC滤波器，从LOOP+端耦

合至AD5700的ADC_IP引脚。RC滤波器作为第一级，用作

HART解调器的带通滤波器，同时增强系统抵抗电磁干扰

的能力——这对于稳定工作在恶劣工业环境中的应用而言

非常重要。

AD5700低功耗振荡器采用与XTAL1和XTAL2引脚直接相连

的3.6864 MHz外部晶振，产生HART调制解调器的时钟。

输出保护

瞬变电压抑制器(TVS)保护4 mA至20 mA HART接口免受过

压影响。选择合适的TVS额定电压，防止REGIN引脚上的电

压超过AD5421的60 V绝对最大电压。请注意，TVS漏电流

可能会影响电流输出精度；因此，选用此器件时，需关注

一定环路电压和温度范围下的漏电流。

可使用外部耗尽型FET与AD5421搭配工作，提高环路电压

最大值。

本电路具有保护功能，通过与环路输出相串联的一对二极

管保护电路免受极性反转的影响。

铁氧体磁珠与环路串联，该串联部分与4700 pF电容一同提

升系统的EMC性能。由于HART网络的规格限制，请勿在

环路端点处使用更高数值的电容。

4.7 V低泄露齐纳二极管保护AD5421的片内50 Ω环路检测电

阻免受AD5421的COM引脚和LOOP−引脚间意外的外部电

压影响(例如当调试电路时)。

电源和电源管理

包括传感器驱动电流在内的完整现场仪表电路必须工作在

4 mA至20 mA环路提供的限量电源下。这对所有环路供电

现场仪器设计而言，都是一个普遍的难题。图1中的电路

提供了低功耗以及高性能解决方案的一个实例。应用中用

到的全部集成电路均针对低功耗而设计，并且电路依靠各

自的集成特性提供灵活的电源管理结构和性能最优的环路

供电解决方案。

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AD5421采用4 mA至20 mA环路电压供电，为电路的其余部

分提供经过调节的低电压。AD5421的REGOUT电压可通过

引脚在1.8 V至12 V范围内编程，具体电压值取决于电路要

求。图1所示电路采用9 V电源电压选项。传感器端利用简

单的推挽式DC-DC转换器与4-20 mA环路隔离。ADG5433由微控制器提供时钟，并产生9 V非重叠方波，以驱动一个

变压器。变压器的工作电压比为2:1。副边上的4.5 V电压由

ADP162整流和调节，产生AD7124-4所用的低噪声3.3 V电

源。AD7124-4的3.3 V模拟和数字电源均由ADP162稳压器提

供，但有一个滤波器(L1/R19)，防止数字电路产生的噪声

进入模拟部分。

AD5421在环路侧提供3.3 V逻辑电源。此电源直接由微控制

器和AD5700使用。

REGOUT RC滤波器(10 μF/10 Ω/10 μF)有助于防止模拟电路受

到来自环路的任何干扰的影响。它还能防止电路产生的任

何干扰(尤其是控制器和数字电路产生的干扰)回流耦合至

环路，这对于可靠的HART通信而言非常重要。

AD5700 HART调制解调器通过一个额外的RC滤波器供电

(470 Ω/1 μF)。该滤波器在环路供电应用中的作用非常重要，

因为它可防止AD5700的电流噪声与4 mA至20 mA环路输出

进行耦合；若非如此，将影响HART通信。AD5700调制解

调器使用外部晶振，通过将XTAL1和XTAL2上的8.2 pF电容

接地，这是功耗最低的选项。

AD7124-4的主要优势之一是用户可灵活使用三种集成功率

模式。功耗、输出数据速率范围和均方根噪声可通过所选

功率模式进行定制。因此，对于4 mA至20 mA或便携式设

备，低功耗或中功耗模式是最佳选择。针对功耗不是问题

的过程控制系统，可使用全功率模式，以便降低噪声。对

于此环路供电电路，使用中功耗模式。有关功率模式的更

多信息，参见AD7124-4数据手册。

连接压力传感器时，AD7124-4的PSW接地开关引脚控制激

励和电源。仪表上电时，开关默认为断开。这一默认设定

允许在开启传感器之前对系统进行全面配置，包括适当的

电源模式，从而最大程度降低4 mA至20 mA环路输出上可

能存在的任何上电尖峰。

连接RTD传感器时，它由AD7124-4的可编程电流源供电，

因此可通过软件全面控制其电源输入。类似地，对于热电

偶传感器，偏置电压和绝对基准电压均嵌入AD7124-4中，

因而可由软件控制。

软件

微控制器通过SPI接口与AD7124-4和AD5421对接，通过

UART接口UART0与AD5700通信。软件通过微控制器上的

另一个UART接口UART1下载到微控制器。

启动时，微控制器配置所有三个器件，AD7124-4针对T型热电偶进行配置。AD7124-4工作在连续转换模式。因此，

其DOUT/RDY引脚也连接到微控制器上的中断引脚。每次

ADC提供转换结果时，就会在微控制器中产生一个中断，

通知其可读取转换结果。然后，微控制器线性化并处理数

据。结果送至AD5421 DAC以通过4 mA至20 mA环路传输。

该软件支持本电路笔记提到的所有传感器类型。CN-0382设计支持包中包含用于演示本电路功能和性能的软件。关

于如何修改软件以适应不同传感器类型的文档，以及关于

下载软件到微控制器的详细信息，也包含在CN-0382设计

支持包中。

代码示例包括基本HART从机命令响应，用于演示硬件的

功能和特性。代码示例不包括HART通信的协议层。

常见变化

AD7124-4具有一个高性能且非常灵活的模拟前端，提供4个差分或7个伪差分模拟输入引脚，以及供基准电压源和

低端功率开关使用的额外引脚。它允许与多个各类模拟传

感器直接接口，比如任意的阻性桥式传感器、电阻式温度

传感器或热电偶。由于可用于几乎所有的传感器现场仪

表，这款现场仪表解决方案并不局限于本电路笔记所述的

传感器类型。

AD7124-8可以代替AD7124-4。AD7124-4和AD7124-8具有

相同的性能。不过，AD7124-8提供8个差分输入或15个伪

差分输入，因而适合需要高通道数的应用。

AD5421可通过保护电路直接与环路相连。也可在AD5421和环路电源之间连接一个耗尽型N沟槽MOSFET，如图8所示。由于在本配置中使用额外MOSFET，因此可将AD5421上的电压降保持在12 V左右，降低AD5421封装的功耗，并

增加4 mA至20 mA模拟输出精度。它还可将环路允许的最

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图8. MOSEFT连接至AD5421环路电源

图9. DEMO-AD7124-DZ印刷电路板

L

L

LOOP+

LOOP–

COM

LOOP–

REGIN200kΩ

20MΩ

1MΩ

TOHARTINPUTFILTER

DN2540BSP129

4700pF

TVS40VLOW-LEAKAGE

4.7VLOW-LEAKAGE

AD5421

DRIVE

VLOOP

1335

5-00

8

1335

5-00

9

J5-1

J5-2

J5-3

J5-4

J5-5

J5-6

J5-7

J5-8

4mA TO 20mALOOP CONNECTOR

大电压提升至MOSFET的额定电平值。额外的MOSFET对HART通信无影响。

本电路中，AD5700与3.6864 MHz晶振共同使用，形成具有

最低功耗的配置。作为替代方案，AD5700-1可配合0.5%精

度的集成式内部振荡器使用。与晶体振荡器相比，内部振

荡器最多可提升225 μA调制解调器电源电流，但因为无需

使用外部晶体，因此该方案同时节省了成本，降低了所需

的电路板面积。

对于非环路供电的应用，AD5410、AD5420、AD5422或AD5755是很好的4 mA至20 mA DAC选择。

最后，有很多隔离器产品可以代替ADuM1441：ADuM1440、ADuM1442、ADuM1445、ADuM1446、ADuM1447、ADuM1240、ADuM1241、ADuM1245和ADuM1246。

电路评估与测试

电路硬件

图1中的电路基于图9中的DEMO-AD7124-DZ印刷电路板

(PCB)构建。

DEMO-AD7124-DZ电路板具有一些额外的特性，方便进行

系统评估。RTD、热电偶或压力传感器可以通过8引脚连

接器J5连接。针对HART RTS和CD有测试点。通过4引脚连

接器可将代码下载到微控制器。

CN-0382设计支持包还包括完整的用于3线/4线Pt100/Pt1000 RTD、热电偶和电压/电流激励压力传感器的现场仪表C语言代码示例，可用来对全部硬件模块和电路特性进行完整

的验证与评估，并对HART接口的功能性提供一定程度的

验证。有关HART接口规范和资源的详细信息，请联系

HART通信基金会。

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表1. 电路功耗

模式

AD5421内部(mA)

DVDD3.3 V(mA)

REGOUT9.0 V(mA)

环路总电流(mA)

隔离3.3 V(mA)

仿真 0.28 0.63 0.82 1.73 0.48 RTD 4线 0.28 0.63 1.00 1.91 0.84 RTD 3线 0.28 0.63 1.12 2.03 1.08 TC 0.28 0.63 0.89 1.80 0.61 压力

V模式 0.28 0.63 1.16 2.07 1.15 I模式 0.28 0.63 0.98 1.89 0.79

图10. 4线RTD测量

–1.5

–1.0

–0.5

0

0.5

1.0

1.5

0 20 40 60 80 100

ER

RO

R (

°C)

RTD TEMPERATURE (°C)

Pt100

NO CALIBRATION

1335

5-01

0

电路功耗

为了方便在线测量，本电路有多个测试点可测量电流。

AD5421的REGOUT引脚和DVDD引脚在其路径中包括一个

10 Ω电阻。ADP162的输出在其路径中也有一个类似的10 Ω电阻。10 Ω电阻的每一端都有测试点。利用这种设置可以

测量各电阻上的压降并计算电流，而无中断电源电流或干

扰电路。

电路配置如下：

• 微控制器内核时钟 = 1 MHz • AD7124-4和模拟电路工作在与传感器类型相适应的模

式下 • AD5421以10 SPS的速率工作并更新环路输出电流 • HART通信，周期性响应主机请求以读取所有器件变量

表1给出了各模块的电源电流：这些器件的电流之和便是

电路本身(未添加其它电流器件以构成4 mA至20 mA输出)从环路消耗的总电流。AD5421本身(估计值，将AD5421放入最

低环路电流中验证)、从DVDD 3.3 V供电的电路(微控制器、

HART调制解调器和SPI隔离的原边)以及隔离电源的9 V原

边。隔离3.3 V栏是隔离3.3 V电源消耗的电流，其为传感器、

AD7124-4和SPI的副边供电。

电路及所有相关模拟和数字模块(包括输入传感器)的功耗

在最小4 mA环路输出电流的许可预算之内。

从ADC读取的转换结果在微控制器内线性化。作用于

Pt100传感器的温度从0°C变化到100°C，而电路板保持25°C温度。图10显示了演示系统的精度。演示系统的测量精度

在B级Pt100传感器的额定精度内。

传感器输入性能

4线RTD图10显示了系统连接一个4线RTD时的性能。使用B级Pt100传感器。AD7124-4配置如下：

• 功率模式：中功率模式 • 滤波器：后置滤波器，25 SPS • 激励电流：AIN6上使能，设置为250 µA • 增益 = 16 • 极性：单极性 • 基准电压缓冲器使能 • RTD连接到AIN4/AIN5通道 • 基准电压源：REFIN1，5.6 kΩ基准电阻连接在REFIN1引

脚上 • AD7124-4内部失调和满量程校准在上电时执行

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图11. 3线RTD测量

图12. T型热电偶测量(冷结为环境温度)

–1.5

–1.0

–0.5

0

0.5

1.0

1.5

0 20 40 60 80 100

ER

RO

R (

°C)

RTD TEMPERATURE (°C)

Pt100

GAIN AND OFFSET CALIBRATION, 25°C

1335

5-01

1

–2.0

–1.5

–1.0

–0.5

0

0.5

1.0

2.0

1.5

0 20 40 60 80 100

ER

RO

R (

°C)

THERMOCOUPLE TEMPERATURE (°C)

CALIBRATIONS AT 25°C

1335

5-01

2

THERMOCOUPLEERROR BAND

3线RTD 图11显示了系统连接一个3线RTD时的性能。使用B级Pt100传感器。AD7124-4配置如下：

• 功率模式：中功率模式 • 滤波器：后置滤波器，25 SPS • 激励电流IOUT0：AIN6上使能，设置为250 µA • 激励电流IOUT1：AIN7上使能，设置为250 µA • 增益 = 16 • 极性：单极性 • 基准电压缓冲器使能 • RTD连接到AIN4/AIN5通道 • 基准电压源：REFIN1，5.6 kΩ基准电阻连接在REFIN1引

脚上 • AD7124-4内部失调和满量程校准在上电时执行

作用于Pt100传感器的温度从0°C变化到100°C，而电路板保

持25°C温度。从ADC读取的转换结果在微控制器内线性

化。施加温度与电路板实测温度之间的误差如图所示。在

温度扫描之前，在25°C时进行内部失调和满量程校准。校

准之后，3线Pt100完全位于B级Pt100允许的包络以内。图

11显示了演示系统的精度。演示系统的测量精度在B级Pt100传感器的额定精度内。

在图12中，冷结保持在25°C，热电偶从0°C扫描到100°C。从ADC读取的转换结果在微控制器内进行处理和线性化。

T型热电偶的精度为1°C或0.75%(以较大者为准)。热敏电阻

也会增加一些误差。电路中使用的热敏电阻精度为1%或

1°C(以较大者为准)。图12显示了施加温度与实测温度之间

的差异。结果完全在热电偶/热敏电阻组合的规格以内。

热电偶

图12显示了系统连接一个T型热电偶时的性能。AD7124-4配置如下：

• 功率模式：中功率模式 • 热电偶配置 • 增益 = 128 • 通道：AIN4/AIN5 • 使能内部基准电压源 • 滤波器：后置滤波器，25 SPS • 极性：双极性 • AD7124-4内部失调和满量程校准在上电时执行 • 冷结配置 • 增益 = 1 • 滤波器：快速建立Sinc3，44.44 SPS • 通道：AIN2/AIN3 • 选择内部基准电压源 • 模拟输入缓冲器使能 • 极性：单极性

AD7124-4的满量程误差经过工厂校准(增益为1时)，因而无

需再执行校准。

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图13. T型热电偶测量(冷结扫描，热电偶保持环境温度)

表2. 压力传感器：噪声和分辨率

电压模式 电流模式

参数压力传感器

输入短路

压力传感器

输入短路 单位

满量程 391.47 391.47 438.45 438.45 kPa 均方根噪声 0.66 0.61 1.76 1.69 Pa 峰峰值噪声 3.5 3.2 11.1 9.8 Pa 有效(RMS)分辨率

19.2 19.3 17.9 18 位

无噪声(峰峰值)分辨率

16.8 16.9 15.3 15.4 位

图14. 电压模式—压力传感器输入波形

–2.0

–1.5

–1.0

–0.5

0

0.5

1.0

2.0

1.5

0 20 40 6010 30 50 70 80

TH

ER

MO

CO

UP

LE

TE

ME

PE

RA

TU

RE

ER

RO

R (

°C)

COLD JUNCTION TEMPERATURE (°C)

CALIBRATIONS AT 25°C

1335

5-01

3

THERMOCOUPLEAND THERMISTOR

ERROR BAND

1.5530

1.5535

1.5540

1.5545

1.5550

1.5555

1.5560

1.5565

1.5570

1.5575

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

PR

ES

SU

RE

(kP

a)

SAMPLES 1335

5-01

4

重复进行测量，热电偶保持在25°C，冷结从0°C扫描到

80°C(参见图13)。系统总精度为1.75°C，使用更精确的冷结

(如Pt100传感器)可以提高精度。

压力

连接压力传感器后，执行噪声测试。噪声电平是模拟前端

与板上其余电路交互所能影响的主要因素。因此，测试主

要针对噪声以及相关的系统分辨率性能进行。

该演示配置为通过HART通信发送表示压力的数据，单位

为kPa。捕获100个样本，完成基本数据分析以便量化性

能。第一项测试是在连接标准压力传感器 (Honeywell 24PCDFA6D)的情况下进行。第二项测试是在由短路输入

产生输入信号的情况下进行。

执行测试时，传感器用一个电流源和一个电压激励。在电

压模式下，AD7124-4配置如下：

• 功率模式：中功率模式 • 滤波器：后置滤波器，25 SPS • 增益 = 16 • 极性：双极性 • 基准电压缓冲器使能 • 传感器连接到AIN4/AIN5通道 • 基准电压源：REFIN2，基准电压由压力传感器的检测

电阻提供

在电流激励模式下，AD7124-4配置如下：

• 功率模式：中功率模式 • 滤波器：后置滤波器，25 SPS • 激励电流：AIN6上的两个激励电流均使能并设置为

100 µA，得到总计200 µA电流 • 增益 = 16 • 极性：双极性 • 基准电压缓冲器使能 • 传感器连接到AIN4/AIN5通道 • 基准电压源：REFIN1，5.6 kΩ基准电阻连接在REFIN1引

脚上

性能总结见表2，图14至图17显示信号曲线图。

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图15. 电压模式—输入短路波形

图16. 电流模式—压力传感器输入波形

图17. 电流模式—输入短路波形

1335

5-01

5–0.0270

–0.0265

–0.0260

–0.0255

–0.0250

–0.0245

–0.0240

–0.0235

–0.0230

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

PR

ES

SU

RE

(kP

a)

SAMPLES

1335

5-01

61.354

1.356

1.358

1.360

1.362

1.364

1.366

1.368

1.370

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

PR

ES

SU

RE

(kP

a)

SAMPLES

–0.074

–0.072

–0.070

–0.068

–0.066

–0.064

–0.062

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

PR

ES

SU

RE

(kP

a)

SAMPLES 1335

5-01

7

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(Continued from rst page) Circuits from the Lab reference designs are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab reference designs in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab reference designs. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab reference designs are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or tness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab reference designs at any time without notice but is under no obligation to do so.

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了解详情 CN-0382设计支持包：

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Matthew Du和Joseph Towey，两种简单、精确、灵活的热电

偶温度检测方法，Analog Dialogue 44-10，Analog Devices。

Mark Cantrell，AN-0971应用笔记，isoPower器件的辐射控

制建议，Analog Devices。

Walt Kester，传感器信号调理第7章“温度传感器”，Analog Devices，1999年。

AN-615应用笔记，峰峰值分辨率与有效分辨率，Analog Devices。

AN-892应用笔记，温度测量原理及实用技术，Analog Devices。

AN-0970应用笔记，使用ADuC706x微控制器实现RTD接口

和线性化，Analog Devices。

MS-2644技术文章，超低功耗开启高速隔离应用之门，

Analog Devices。

MT-031指南，实现数据转换器的接地并解开AGND和

DGND的谜团，Analog Devices。

MT-101指南，去耦技术，Analog Devices。

电路笔记CN-0172，0.25°C精度的3通道热电偶温度测量系

统，Analog Devices。

电路笔记CN-0206，漏电流小于500 µA的热电偶温度测量系

统，Analog Devices。

Analog Devices.电路笔记CN-0209，适合过程控制应用的完

全可编程通用模拟前端，Analog Devices。

电路笔记CN-0325，使用4引脚或6引脚端子板的PLC/DCS通用模拟输入，Analog Devices。

电路笔记CN-0376，适合PLC/DCS应用的通道间隔离温度

输入(热电偶/RTD)，Analog Devices。

电路笔记CN-0381，采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式4线RTD测量系统，Analog Devices。

电路笔记CN-0383，采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式3线RTD测量系统，Analog Devices。

电路笔记CN-0384，采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式热电偶测量系统，Analog Devices。

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AD5700数据手册和评估板

ADG5433数据手册

ADuM1441数据手册

ADP162数据手册

修订历史 2015年7月—修订版0：初始版

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